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Achteck


Ein Achteck (auch Oktogon oder Oktagon, von lat. octogonum, octagonum, octagonon, von griech. ὀκτάγωνον oktágōnon) ist ein Polygon mit acht Ecken und acht Seiten. Sie lassen sich, wie alle Polygone, die keine Dreiecke sind, in konvexe, konkave und überschlagene Achtecke einteilen. Zu den konvexen Achtecken gehört auch das regelmäßige Achteck, bei dem alle Seiten gleich lang und alle Winkel gleich groß sind. Dieses wird im Folgenden näher dargestellt.

Konstruieren kann man ein regelmäßiges Achteck, indem man bei einem Quadrat auf alle Seiten Mittelsenkrechten konstruiert und die Schnittpunkte der Mittelsenkrechten mit dem Umkreis mit den Ecken verbindet.

Formeln

Größen eines regelmäßigen Achtecks mit der Seitenlänge a 
Inkreisradius [math] r_i = a \ \frac{1}{2} (1+ \sqrt{2}) [/math]
[math] a = 2 r_i \ (\sqrt{2}-1) [/math]
Umkreisradius

[math] r_u = a \ \frac{1}{2} \sqrt{4 + 2\sqrt{2}} [/math]
[math] r_u = a \ \sqrt{1 + \frac{1}{\sqrt{2}}} [/math]
[math] a = r_u \ \sqrt{2 - \sqrt{2}} [/math]

Große Diagonale [math] d_1 = a \ \sqrt{4 + 2\sqrt{2}} \ = \ 2 r_u [/math]
Mittlere Diagonale [math] d_2 = a \ (1 + \sqrt{2}) \ = \ 2 r_i[/math]
Kleine Diagonale [math] d_3 = a \ \sqrt{2 + \sqrt{2}} \ = \ r_u \, \sqrt{2} [/math]
Zentriwinkel [math] \alpha = \frac{360^\circ}{8} = 45^\circ [/math]
Innenwinkel [math] \delta = 180^\circ - \alpha = 135^\circ [/math]
[math] \cos \delta = \frac{-1}{\sqrt{2}} [/math]
Flächeninhalt

[math] A = a^2 \ (2+ 2 \sqrt{2})[/math]

[math] A = r_u^2 \ 2 \sqrt{2}[/math]

Flächenberechnung

Zerlege das regelmäßige Achteck in 8 gleichschenklige Dreiecke. Der einmalige Winkel im Dreieck beträgt 360°/8 = 45°. Die beiden gleichen Winkel des Dreieckes betragen 67,5°. Die Höhe halbiert das gleichschenklige Dreieck. Es entsteht durch Einzeichnen der Höhe ein rechtwinkliges Dreieck mit den Winkeln 67,5°, 22,5° und 90°. Folgende Lösungsansätze gehen von diesem rechtwinkligen Dreieck aus, dabei gilt:

  • a ist die Seitenlänge des Achtecks
  • a' ist die halbe Seitenlänge des Achtecks
  • ri ist der Radius des Inkreises
  • ru ist der Radius des Umkreises
  • A ist die Fläche des Achtecks
  • A' ist die Fläche des rechtwinkligen Dreiecks

Gegeben sei der Radius des Innenkreises ri:
Der gesuchte Schenkel (Gegenkathete zum spitzen Winkel) lässt sich durch den Tangens von 22.5° ermitteln:

[math]a' = r_i \cdot \tan 22{,}5^\circ[/math]

Die Fläche des rechtwinkligen Dreiecks erhält man durch

[math]A' = \frac{1}{2} \cdot a' \cdot r_i = \frac{1}{2} \cdot (r_i \cdot \tan 22{,}5^\circ) \cdot r_i = \frac{1}{2} \cdot r_i^2 \cdot \tan 22{,}5^\circ[/math]

Das gleichschenklige Dreieck hat die doppelte Fläche des rechtwinkligen Dreiecks, das Achteck die achtfache Fläche des gleichschenkligen Dreiecks:

Formel 1: [math]A = 2 \cdot 8 \cdot A' = 16 \cdot \left( \frac{1}{2} \cdot r_i^2 \cdot \tan 22{,}5^\circ \right) = 8 \cdot r_i^2 \cdot \tan 22{,}5^\circ[/math]

Gegeben sei die Seitenlänge a des Achtecks:
Analog zur obigen Betrachtung lässt sich der Radius ri des Inkreises mit Hilfe des Tangens von 22.5° ermitteln, a' sei die Hälfte von a:

Formel 2: [math]r_i = \frac{a'}{\tan 22{,}5^\circ}[/math]

Die Fläche des rechtwinkligen Dreiecks erhält man durch

[math]A' = \frac{1}{2} \cdot a' \cdot r_i = \frac{1}{2} \cdot a' \cdot \frac{a'}{\tan 22{,}5^\circ} = \frac{a'^2}{2 \cdot \tan 22{,}5^\circ}[/math]

Setzt man A' in die Formel für die Gesamtfläche (siehe Formel 1) ein, erhält man

[math]A = 8 \cdot 2 \cdot A' = 16 \cdot \frac{a'^2}{2 \cdot \tan 22{,}5^\circ} = \frac{8 \cdot a'^2}{\tan 22{,}5^\circ} = \frac{2 \cdot a^2}{\tan 22{,}5^\circ}[/math]

Gegeben sei der Radius ru des Umkreises:
Das Verhältnis a' zu R entspricht dem Sinus des spitzen Winkels:

[math]a' = r_u \cdot \sin 22{,}5^\circ[/math]

Der Radius [math]r_i[/math] des Inkreises beträgt (siehe Formel 2)

[math]r_i = \frac{a'}{\tan 22{,}5^\circ} = \frac{r_u \cdot \sin 22{,}5^\circ}{\tan 22{,}5^\circ} = r_u \cdot \cos 22{,}5^\circ[/math]

Die Fläche des rechtwinkligen Dreiecks erhält man durch

[math]A' = \frac{1}{2} \cdot a' \cdot r_i = \frac{1}{2} \cdot (r_u \cdot \sin 22{,}5^\circ) \cdot (r_u \cdot \cos 22{,}5^\circ) = \frac{r_u^2 \cdot \sin 22{,}5^\circ \cdot \cos 22{,}5^\circ}{2}[/math]

Setzt man A' in die Formel für die Gesamtfläche (siehe Formel 1) ein, erhält man

[math]A = 8 \cdot 2 \cdot A' = 16 \cdot \left( \frac{1}{2} \cdot r_u^2 \cdot \sin 22{,}5^\circ \cdot \cos 22{,}5^\circ \right) = 8 \cdot r_u^2 \cdot \sin 22{,}5^\circ \cdot \cos 22{,}5^\circ[/math]

bzw. mit den Additionstheoremen für die Winkelfunktionen

[math]A = 4\cdot r_u^2 \cdot \sin 45^\circ[/math]

Allgemeine Formeln für regelmäßige n-Ecke
Aus den obigen Ansätzen lassen sich folgende Formeln für n-Ecke herleiten:

Bei gegebenem Radius [math]r_i[/math] des Inkreises gilt: [math]A = n \cdot r_i^2 \cdot \tan \left( \frac{180^\circ}{n} \right)[/math]

Bei gegebener Seitenlänge a des n-Ecks gilt: [math]A = \frac{n \cdot a^2}{4 \cdot \tan \left( \frac{180^\circ}{n} \right)}[/math]

Siehe auch

Weblinks

 Commons: Achteck  – Sammlung von Bildern, Videos und Audiodateien
 Wiktionary: Achteck – Bedeutungserklärungen, Wortherkunft, Synonyme, Übersetzungen

Kategorien: Polygon

Quelle: Wikipedia - http://de.wikipedia.org/wiki/Achteck (Vollständige Liste der Autoren des Textes [Versionsgeschichte])    Lizenz: CC-by-sa-3.0

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